1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、背景

这些年，随着现代工业化的迅猛发展。以能源为中心的环境问题、生态等问题日益严重，世界各国在不停寻找新能源的同时，也更加注重了节能新技术的发展。强化传热技术是重要的一方面。新技术应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节省投资成本和运营成本。由于换热器在化工、动力、石油和原子能等工业部门中的广泛应用。作为石油化工等能源行业中广泛应用的单元设备，换热器因其在换热效率、流体力学性能等方面有着突出的表现而得到越来越多的关注和研究。据相关研究和统计指出，目前石油化工行业的换热器投资占整个设备总投资的35% 左右，我国换热器的产业规模已达 600亿元。近些来，在整个换热器的市场中，各种板式换热器的竞争力逐步提升，然而管壳式换热器依然以 65% 的市场占有率成为换热器市场的绝对主力使得换热器的强化传热技术一直倍受到研究人员的青睐，从而各种研究成果不断涌现出来。

管壳式换热器：是以与外界隔绝的壁面作成传导热量的面的间壁式换热器。管壳式换热器凭借其节约机器成本，设计性能良好，占地面积较小，低碳节能，环保等的特点，在市场得到广泛使用。

本课题研究的是冷却器，管壳式冷却器是管壳式换热器的一种，是化工行业的重要装置，随着其功能的不断扩大和技术的发展，现今，冷却器在其它多个领域也有广泛的应用。在工业生产中，冷却器的作用是将通过高温流体将能量向低温流体传递，使流体的温度降低达到工艺流程指标范围，满足工艺流程的需要。同时冷却器也对余热和废热进行有效的回收利用，以作为生产的能源补充，提高能源利用里，降低能量消耗，有效的降低生产成本，提高经济效益。我国工业的飞速发展，生产规模的不断扩大，冷却器装置也朝着大型化和高性能化发展，冷却器从结构设计到制造生产再到投入使用都提出了更高的要求。管壳式冷却器也称之为列管式冷却器，其具有结构简单、操作方便、可靠性高的特点，以金属作为制造的主要裁量，能够满足高温、高压生产条件下的需要，因此受到行业的广泛认可和推广应用。

然而，其在使用过程中难以避免地出现一些故障，不便于使用。比如：手工焊制管板与列管焊缝腐蚀问题；换热管与折流板连接处缝隙故障；管壳式换热器振动泄漏的问题等等。及时解决与处理换热器发生的故障，保证机器正常的运行，不仅能够节约成本，提升生产效率，还能提高经济效益，对一个行业生存起着至关重要作用。

二、研究现状

20 世纪 60 年代在传热工程方面国际上出现两大研究集团。即 1962 年成立的美国传热研究公司(Heat Transfer Research Ine），简称 HTRI。其在传热机理、测试技术及振动等领域做出巨大贡献。还有1968年成立的英国传热及流动服务公司 (HeatTransfer amp; Fluid Flow Service），即HTFS。此公司针对传热与流体进行了长期研究。国内高校及研究机构取得了丰硕成果。华南理工大学开发出纵横管、螺旋槽管等用于强化传热；清华大学在板片传热方面进行了深入研究；兰州石油机械研究所研制出折流杆换热器、板式换热器等一系列高效换热器。这些成果为中国炼油、化工工业的安全快速发展起到决定作用，也促使我国在传热技术领域迈入国际先进行列。

管壳式换热器的发展脉络就总体上来说主要经过了支承形式的发展、板式支承、折流杆式支承、空心环支承、管子的自支承等传热性能依次加强和压降不断减少的一个发展过程。由此，我们可以看出，随着强化传热理论的不断发展和支承形式、技术之间的强势发展，换热器的传热综合性能获得了突飞猛进的发展。目前，管壳式换热器主要的发展方向就是流体的流动方式逐步的从横向流改变为纵向流。此外，在改变支承结构的基础上，在低雷诺数的条件下，尽可能的提高换热器的性能必将成为管壳式换热器研究的方向。

2.1理论研究

强化传热一直是一个热门话题，研究者也做了大量的研究^[1，2]。强化传热总目标概括有^[3]：在限定换热量基础上减小换热器尺寸；提高现有换热器的性能；减小流动工质的温差。根据强化传热理论，只有增大传热系数较小的那侧才能有效增加总传热系数的值。然而现实中无法确定所有工况的具体情况，只能增大管外或管内传热系数来获得最高总传热系数。新开发的强化传热结构已拓展出许多类型，其各自的强化效果及在适用的工作环境中各自具又有不同的特点。

改变管程结构和壳程结构^[4]是强化传热的俩个重要方法。在改变管程强化传热结构办法中有：（1）增大管内湍流度，比如管内插纽带(见图1）、绕丝花环等方法；(2)增大

图1 管内插纽带示意图

管外表面积来增大传热面和湍流度，比如翅片管（见图2）、螺纹管^[5，6]（见图3）、波纹管等等方法。

图2 矩形翅片管示意图

用螺纹管代替光管^[7，8]是一个很好的办法，换热器的传热系数k值可提高百分之四十多。换热面积相同时,可缩小设备直径，减少占地面积。

图3 螺纹管示意图

许卫国，张清红，杨冬，李永星，孙立岩，陆慧林^[9]进行了系统的研究得出在层流区，螺纹管Nu数是对应光管的2.8~4.6倍。在湍流区螺纹管的Nu数是对应光管的1.8~3.8倍（见图4）。

Nu/Pr0.4 :

Nu/Pr0.4 光管 #8230;#8230; 式（12） 式（11） Nu： 螺纹管

Nu

Re

图4 光管和螺纹管湍流区传热变化规律示意图

流体在壳程流动形态对换热有很大的影响所以对壳程的换热机理研究有重要的意 义。改变壳程强化传热方法有改变折流板排布的形式。应用较广的有螺旋叶片换热器(见图5)；折流杆换热器（见图6）；螺旋折流板换热器等（见图7）。

图5 螺旋叶片折流板换热器壳程流体流动方向示意图

图6 折流杆换热器管束支撑示意图

图7 螺旋折流板换热器管束三维示意图

2.2实验研究

改变管壳式冷却器的结构^[10]对热力性能有很大的提升。李首霖，姜晓川^[11]对浮头式管壳式冷却器各部位进行优化设计得出：优化设计有效的改善了原有冷却器在使用过程中存在的种种问题，而且保证了良好的热力性能。优化后的冷却器性能更加稳定，应用可靠性高，能量利用率高。

管壳式换热器管－管板焊接接头在换热器运行过程中发生泄漏，是换热器不能正常工作的主要原因。王昆^[12]，刁立慧，高志云，刘锐^[13]对手工焊制管板与列管焊缝腐蚀问题的研究得出，管壳式换热器的管板和列管的连接是由手工电弧焊制而成，这种特性导致其裂缝经常出现腐蚀现象。陈永刚^[14]在管壳式换热器的腐蚀及防治措施研究中得出，合理的焊接工艺；合理选择结构材料及焊接材料；必要时对结构进行阴极保护；合理选材等方法有效减少腐蚀。所以管壳式换热器的腐蚀在设计、制造、使用过程中，尤其在焊接过程中采取适当的措施是可以预防的，可以延长管壳式换热器的使用寿命。

在管壳式换热器设计中，换热器的振动分析是管束设计的一个非常重要的部分。过度震动会导致液体泄露，根据曹雄，骆浩，潘国瑜^[15]对一次事故的分析得出入口处流速太大，气流分布不均匀；折流板间距、形式不太合理；进口处换热管固有频率较低，临界速度偏小等原因容易引起振动会导致出现裂纹引起泄露(附此次事故简图8，9，10）。

管子 壳程前侧进口 壳程前侧进口 管子 泄露处 泄露处

壳程后侧进口 壳程后侧进口

图8 换热器壳程入口示意图

总进口

图9 换热器折流板缺边情况示意图 图10 管子实际泄露部位

采取合适的措施可有效减少震动，R. H. Dole，S. Vivekanand and S.Sridhar^[16]和刘江，毛传剑^[17]对震动进行了有效的研究得出在换热器设计期间包括对挡板类型的选择和间隔，管间距，冲击板和布局进行有效的选取，而且需要计算最小一阶固有频率，通过固有频率拟合出当量光管的参数。有振动倾向的换热器可以增加贴胀等方法来减少震动。合理的进气分布结构，加速气流的扩散分布降低流速对于防振有重要的意义。

防冲板^[18]虽然缓解了流体对管束的冲蚀，对入口部位的管束有一定的保护作用，但另一方面却降低了入口处流体的有效流通面积，入口附近管束间的流体横流速度增大，从 而可能诱发旋涡脱落激振及流体弹性不稳定。所以在设计换热器时充分考虑防振措施，以及进行防冲板的优化设计，以避免由于防冲板设置不当而导致的管束损坏。

特殊传热工质的换热器需要特别的研究不然设备容易出现事故。基于导热油^[19]的换热器，导热油性质的稳定至关重要。崔建欣^[20]对一起事故进行研究得出导热油期需要定期检测，不然残碳超标沉积在受热面上，会影响了换热效率，从而导致夹套壁温升高，超出了材料的正常使用温度而造成过热、金属壁变形、强度降低，减薄，沿压力方向外突、容易造成鼓包事故。

结垢是换热器研究不可避免的问题。结垢对换热器性能影响很重要^[21]。常见的有水垢^[22]，J.Nesta and CA.Bennett研究得出材料选择也对结垢具有显着的影响，特别是当生物结垢是主要原因的时候。锈垢，微粒污垢^[23]，毕建成对其进行研究得出在设计上要选择合理的换热器结构，正确的布置管壳程流体，控制流体的流速，在操作注意温度的控制,这样可以有效的减少污垢的产生,其次在清洗上要选择合理有效的方法。导热油结焦产生的垢^[24]等等。汪琪对导热油结构进行研究得出螺纹管既可以使管壁薄层扰动从而减小热阻、强化传热，又可以使油膜温度降低、预防结焦、延长导热油寿命。

随着工业的发展对管壳式换热器优化设计提出了更高的要求。也不断有人提出新的算法，Andreacute;L.H.Costa , Eduardo M.Queiroz^[25]提出一种基于沿管计数表搜索算法可明显减少计算成本。换热器的热工计算^[26]是换热器设计的基础，也是换热器结构设计的前提，因此在换热器的设计中，只有经过对换热器结构参数的不断调整，反复计算，才能使换热器的性能更高，设计更加合理。

三、结语

换热器在国民经济和化工生产领域中对产品质量、能量利用率以及系统经济性、可靠性起着举足轻重的作用，所以对换热器的研发和设计提出了更到的要求。随着工业的不断升级换代人们越来越重视环境问题，因此开发新型高效和结构紧凑的换热器是目前换热器研究的一个重要方向。

参考文献

[1] 郑世龙. 管壳式换热器的强化传热技术分析.[J].化工管理，2016,(10):122~122.

[2] 张瑞. 管壳式换热器的强化传热技术分析.[J].黑龙江科技信息,2016,(19):156~156.

[3] 谢学坚. 管壳式换热器的研究发展. [J].科技视界,2014,(1):91~91.

[4] 郝国永,张莹莹,高磊,于宵航,吴亮. 管壳式换热器管束结构优化发展概述.[J]. 当代化工, 2014,43(12): 2572~2575.

[5] 李显斌,王国良. 实用新型专利.[P].CN.201320044022.9,2013.09.25.

[6] 史以奇,李凌. 螺纹管管内流动与传热的数值模拟.[J].上海理工大学学报,2016,38(2):133~136.

[7] 任玉福. 螺纹管与光管换热器经济性能分析.[J].化工设备与管道,1982,(2):38~41.

[8] 崔勃,安文海,朱健. 螺纹管传热性能分析及应用.[J].品牌与标准化, 2012,(4):51~52.

[9] 许卫国,张清红,杨冬,李永星,孙立岩,陆慧林. 高温导热油热载体螺纹管传热和压降特性的实验与数值模拟.[J].工程热物理学报,2015,36(6):1263~1267.

[10] 张麒,丁海超,李京富. 管壳式换热器的工作原理及结构.[J].山东工业技术, 2015,(17):223~223.

[11] 李首霖,姜晓川. 管壳式冷却器结构优化设计.[J].科技风, 2015,(4):97~97.

[12] 王昆. 管壳式换热器管－管板焊接工艺.[J].焊接技术，2015,(7):82~84.

[13] 刁立慧,高志云,刘锐. 管壳式换热器故障及维修处理研究.[J].工业,2016,（34）：62~62.

[14] 陈永刚. 管壳式换热器的腐蚀及防治措施.[J].新疆有色金属, 2011, 34(A02):176~178.

[15] 曹 雄,骆浩,潘国瑜. 管壳式换热器振动泄漏的分析及处理.[J].化工生产与技术,2016, 23(1):54~57.

[16] R Dole,S Sridhar,S Vivekanand. Mitigate vibration issues in shell-and-tube heat exchangers.[J]. Hydrocarbon Processing, 2004, 83(7):57~60.

[17] 刘江,毛传剑. 螺纹管换热器管外流体诱发振动分析.[J].杭氧科技, 2016,(3):11~16.

[18] 刘晓玲. 管壳式换热器壳程入口防冲板设置的振动分析.[J]. 聚酯工业,2015,28(3):1~4.

[19] RT Mousavian,E Hajjari,D Ghasemi,MK Manesh,K Ranjbar. Failure analysis of a shell and tube oil cooler.[J].Engineering Failure Analysis. 2011, 18:202~211.

[20] 崔建欣. 导热油的化学稳定性是换热器安全运行的保证.[J].中国科技纵横 ,2011,(7):213~213.

[21] S Lingeswara,TIM Ghazi,R Omar. Reliability analysis on a shell and tube heat exchanger.[J]. Earth and Environmental Science ,2016,36(1):1~12.

[22]JM Nesta,CA Bennett. Reduce fouling in shell-and-tube heat exchangers.[J].Hydrocarbon Processing, 2004, 83(7):77~82.

[23] 毕建成.管壳式换热器的污垢与对策.[J].中国石油和化工标准与质量,2014,(11):77~77.

[24] 汪琪. 螺纹管对导热油的强化传热和结焦预防研究.[J].化工装备技术, 1997,(3):8~9.

[25] Andreacute;L.H. Costa , Eduardo M. Queiroz. Design optimization of shell-and-tube heat exchangers.[J] .Applied Thermal Engineering ,2008, 28 :1798~1805.

[26] 于勇. 管壳式换热器的设计计算.[J].特种油气藏, 2004, 11(6):105-107.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

首先要根据冷热流体之间的热平衡计算，求出导热油的质量流量，然后按照常规的管壳式换热器的热力计算方法, 进行设计计算。

确定列管式导热油冷却器的设计方法及技术路线：针对本课题要求，首先确定工艺条件，选取合适的换热器结构类型；然后查找资料，并确定所需要使用的流动与传热计算公式；通过设计计算，使得传热方程的换热量和热平衡换热量差异在较小的误差范围，并且管内外的流动阻力在允许范围内；对换热器的重量进行估算。